以本人作为课题技术负责人承担的沧州市重大科技计划项目——“基于机器视觉与智能机器人的阀门制造行业柔性生产系统的开发与应用示范项目”为例。
制造业是强国之基，其转型升级离不开智能制造。我们日常的加工系统正演变为智能制造系统，成为高端制造业的重要部分。重点突破该类智能制造与系统集成技术研究，既是我国制造业转型升级的高端技术利器之一，也是提高产品质量在线检测与监控技术的关键，是发展高端装备制造的技术瓶颈之一，也是我国精密制造装备落后于国外先进设备的难点之一。我们的阀门制造企业产品制造工艺相对落后，现以单工序周转式作业方式为主，过程人工检验，存在人工投入大、制造成本高、生产效率低等诸多弊端。随着国内外产品市场价格的下降，以及用工成本急增，急需对阀门加工生产设备实行系统化作业改造。“基于机器视觉与智能机器人的阀门制造行业柔性生产系统的开发与应用示范”旨在用于针型阀加工检测的自动化生产与质量检测，项目集成应用立体视觉定位、机器人抓取、数控机床加工、机器视觉在线检测等单元智能化制造技术，从零件制造生产流程、工序和作业入手，分析生产过程中存在的不经济、不合理现象，在流程工艺优化、装备运行状态监测、视觉自动检测系统开发、机器人自动化生产线集成等研究基础之上，优化车间布局、物料搬运、工序工位的设计，依靠高精度机器人技术、高分辨机器视觉技术、高可靠性自动控制原理、工艺过程优化方法等，建立一套较为成熟的自动化智能生产系统，从而实现针型阀关键零件的生产制造/物料输送等环节中的自动化抓取、定位、检测与控制，提高对生产加工过程中的精确控制与品质管控，将极大地提高生产效率，降低生产成本，并实现机器人自动生产系统应用示范，推进同行业企业技术升级。本项目集成应用机器视觉技术和机器人技术，形成视觉定位—机器人抓取—数控机床加工—在线检测一体化的解决方案。项目的成功实施可改进阀门行业产品制造的可靠性，大幅提高加工精度和生产效率。
本项目所涉及的两大领域，分别为机器视觉领域和机器人自动化领域。
机器视觉系统就是利用机器代替人眼来做各种测量和判断。它是计算机学科的一个重要分支，综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。机器视觉技术主要实现识别和检测两大单元模块功能，其中识别又包含了定位、分类、质量、导航等。而检测主要包含尺寸测量、形位公差、位置标定等。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。自动化和计算机技术是机器视觉进入工业生产线的关键因素，并随着工业自动化的发展而不断改进和推广。
相比较于国外情况，国内对机器视觉技术的应用研究起步较晚，但是发展十分迅速。1990年以前，我国仅仅在大学和研究所中有一些研究图像处理和模式识别的实验室。20世纪90年代主要集中在机器视觉技术的理论模型验证和检测系统的初步设计等方面，并开发了第一代图像处理产品，能够解决一些基本的图像处理和分析工作，例如多媒体处理、印刷品表面检测、车牌识别等。1998—2002年为我国的机器视觉概念引入期。从2002年至今为我国的机器视觉发展期，呈现快速增长态势。目前，国内机器视觉应用主要集中在沿海发达省份及北京地区，江苏、广东、浙江、北京、上海五省市相关专利数量占到全国总申请数量的75%。
我国的机器人技术研究经过近年来的飞速发展，已经在太空探索、空间站作业、危险环境处置、医疗康复、水下搜寻等领域得到了广泛应用。国内外对于机器视觉和智能机器人技术的应用均有研究，但相关的整套系统产品并不多见。对于微小零件的较高精度的在线机器视觉系统的研究与应用相对较少，多集中在算法的研究与建模上。对于整套系统，包括设备平台设计、算法匹配、机构在动、软件开发、通信控制及对所构建平台的评估分析、运行测试等研究较少。设计开发基于机器视觉和智能机器人的一整套完整的定位、抓取、加工、检测柔性生产系统，促进智能制造技术的发展，解决企业实际应用需求，提高智能制造设备国产化水平具有十分重要的意义。
本项目主要用于针型阀关键零件原料输送和加工检测等工序的自动化生产与质量检测，实现针型阀零部件在CNC数控加工时的自动化抓取、输送移载，机器视觉自动检测尺寸误差等功能。运用视觉定位配合机械手的方式完成加工过程中自动上下料、工件检测输送及剔除不合格品等工序，建立起自动化生产与品质管控的系统。
解决企业精益生产的需求，开发基于强化学习和机器人的阀门制造智能生产系统，融合双目立体视觉、机器人、CNC数控加工中心、质量检测等多平台，利用强化学习等人工智能技术建模和在线学习，分析现有生产工艺潜在的加工风险，做好相关预警，逐步改进现有加工工艺。
（1）针型阀关键零件尺寸视觉测量系统开发。
因系统自动化、高效化和智能化生产的需要，测量系统的设计包括待检测工件的夹持机构，工业相机的安装联通，视觉检测软件、传感器以及控制系统等。采用高分辨率工业相机成像，60 mm×40 mm的视野能够做到0.015 mm的物理分辨率，通过亚像素等算法可以达到μm级的精度，光源采用LED平行光源，每次测量时间1 s以内，实现工件的定位、检测、数据采集等多项功能，达到对生产加工过程的精确控制与品质管控。
（2）基于双目立体视觉的工件定位系统开发。
根据柔性制造系统灵活性和柔性的需要，采用双目立体视觉来实现工件的定位。双目立体视觉仿照人眼，即由不同位置的两台摄像机拍摄同一幅场景，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标值。系统由双目立体视觉技术计算出目标物在视觉坐标系中的三维坐标。设计搭建立体视觉环境，模拟生产现场进行试验，实现工件空间位置的快速定位，并将工件的位置数据传输给机器人，为机器人准确抓取工件奠定基础。双目视觉系统也是机器视觉换代升级的高端技术。
（3）工业机器人与自动化成套装备集成。(www.xing528.com)
工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等特点，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。开发机器人仿真软件进行现场生产环境的模拟，并建立与立体视觉系统间的通信，接收工件的位置数据，完成CNC数控加工时的自动上料与工件检测输送。
（4）基于强化学习和机器人的阀门制造智能生产系统。
机器人不开源兼容，系统平台不能够实现软硬件相互兼容，不能即插即用是制约其广泛应用的根本原因。基于机器人构建一套强化学习的系统再融合视觉分析，对现有加工工艺进行评估，分析生产流程中存在的不合理、不经济现象，提出合理化建议；通过动态仿真技术，对不同的工艺进行模拟实验，对比分析，找出既可以满足生产需要，又能缩短生产周期，提高生产质量和效率的工艺方案。
本项目的主要创新有：（1）各系统的智能互融集成是本项目的核心，构建智能管理平台，让设备智能化，快速满足不同产品、不同场景的生产需求。系统内部模块整合包括立体视觉系统、机器人输送系统、视觉测量系统、过程监测在内的各部分功能。各部分功能相互协调，尤其是通过引入强化学习技术，能实现系统会学习、会思考、会判断决策并发出指令执行的高水平智能化改造和柔性生产。（2）采用双目视觉结合工业机器人的方式来实现对工件的准确抓取，极大地提高视觉测量的精度与效率。机器人取代人工已经成为必然的趋势，而双目视觉在工业各种领域有着广泛的用途，二者的结合则能给企业带来更好的效益。（3）同企业ERP系统接口对接，分析生产需求，跟踪生产计划，全程监控生产过程，实现生产过程的透明化管理。与系统的流程优化相结合，制定合理的工艺方案，提高生产效率。
本项目于2020年6月完成技术工作后达到了所有技术指标，即基于ROS完成机器人通用操作系统的开发，实现了使安川、库卡等主流机器人能无障碍地接入ROS机器人操作系统；通过ROS机器人操作系统获取视觉定位坐标，控制机器人完成CNC上下料、工件检测上下料等工作。开发了双目立体视觉、精确工件测量等视觉软件，搭建起机械加工通用的应用环境，视觉检测时间小于1 s，双目立体视觉定位时间小于0.5 s，全流程系统运行速度大于10吨/分钟。相关产品由原先的人工抽检（抽检率1%）提升到100%在线自动检测，尺寸检测精度达±10 μum，零部件的合格率由99.5%提高到99.99%以上，即废品率从0.5%减少到0.01%，是原来的五十分之一。
本项目在针型阀加工制造领域的工艺过程优化、自动视觉检测、机器人高精度高可靠性控制中取得技术上的突破，申报相关核心技术专利、软件著作权登记等，开展应用示范，为在阀门加工领域的产业化推广应用铺平道路，改变现有的低品质、低效率的劳动密集型制造模式，具有很大的市场前景。项目投产后，零件加工与检测智能运作，生产效率比现有人工作业大大提高，成品合格率大幅提高（产品在线100%检测），进一步降低零件加工的返工成本，提高后续装配工序的生产效率，大大节约生产总成本。
本项目高效集成应用机器视觉检测技术，将精密测量技术应用于传统的阀门加工领域，进一步提高传统加工领域的检测精度和检测效率。机器视觉高精度高稳定性检测技术、机器人高精度高可靠性控制技术等核心技术，为实现具有共性的各行业中机器人自动化生产线高效运行，提高产品质量和效率提供技术支撑，实现各行业由自动化程度低的离散劳动密集型制造模式向以自动化智能化为核心的智能制造飞跃，具有很好的应用示范作用和推广前景。项目已申请的专利有：
“一种针型阀智能加工用视觉检测装置”，申请号为201911272952.8；
“一种基于机器视觉与智能机器人的阀门生产系统”，申请号为201911281182.3；
“一种针型阀智能加工机器人用双目立体视觉装置”，申请号为201922227569.2；
“一种阀门生产用夹具”，申请号为201922234254.0。
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